Επιλύστε αριθμητικά με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών το παρακάτω πρόβλημα δύο οριακών τιμών: ( )

Σχετικά έγγραφα
πεπερασμένη ή Η αναλυτική λύση της διαφορικής εξίσωσης δίνεται με τη βοήθεια του Mathematica: DSolve u'' r 1 u' r 1, u 1 0, u' 0 0,u r,r

Επιμέλεια απαντήσεων: Ιωάννης Λυχναρόπουλος

Επιλύστε αριθμητικά το με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών το παρακάτω πρόβλημα δύο οριακών τιμών:

Επιµέλεια: Γιάννης Λυχναρόπουλος Οµάδα Α: Άσκηση 2 Έχουµε να επιλύσουµε την εξίσωση: 2

ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, , 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΡΓΑΣΙΑ #5: ΥΠΕΡΒΟΛΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ: ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ιωάννης Λυχναρόπουλος

(συνθήκη συμμετρίας) (4) Το παραπάνω πρόβλημα μπορεί να περιγράψει τη μεταβατική πλήρως ανεπτυγμένη ροή σε κυλινδρικό αγωγό.

f στον κόμβο i ενός πλέγματος ( i = 1, 2,,N

ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, , 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΡΓΑΣΙΑ #3: ΠΑΡΑΒΟΛΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ: ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Δ.

Κεφ. 6Α: Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις - προβλήματα δύο οριακών τιμών

y 1 και με οριακές συνθήκες w

Οι παρακάτω ασκήσεις είναι από το βιβλίο των S. C. Chapra και R. P. Canale με τίτλο Numerical Methods for Engineers, 6 th edition.

Επιμέλεια απαντήσεων: Ιωάννης Λυχναρόπουλος

Παράδειγμα #9 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΔΥΟ ΟΡΙΑΚΩΝ ΤΙΜΩΝ ΕΛΛΕΙΠΤΙΚΕΣ ΣΔΕ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ν. Βασιλειάδης

Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις προβλήματα οριακών τιμών

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ, 2004, 3 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΡΓΑΣΙΑ #4: ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ, 2004, 3 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΡΓΑΣΙΑ #5: ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗ

την κεντρώα έκφραση πεπερασμένων διαφορών 2 ης τάξης και για τη παράγωγο f την ανάδρομη έκφραση πεπερασμένων διαφορών 2 ης τάξης xxx

Υπολογιστικές Μέθοδοι

Κεφ. 6: Επίλυση ελλειπτικών διαφορικών εξισώσεων με πεπερασμένες διαφορές προβλήματα οριακών τιμών

Παράδειγμα #4 ΑΛΓΕΒΡΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ

ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, , 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΡΓΑΣΙΑ #3: ΕΛΛΕΙΠΤΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ: ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Δ.

Κεφ. 7: Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις (ΣΔΕ) - προβλήματα αρχικών τιμών

x από το κεντρικό σημείο i: Ξεκινάμε από το ανάπτυγμα Taylor στην x κατεύθυνση για απόσταση i j. Υπολογίζουμε το άθροισμα:

Επιμέλεια απαντήσεων: Ιωάννης Λυχναρόπουλος. Η μόνιμη θερμοκρασιακή κατανομή σε δύο διαστάσεις περιγράφεται από την εξίσωση: και

Η πλήρως ανεπτυγµένη ροή λόγω διαφοράς πίεσης σε κυλινδρικό αγωγό περιγράφεται από την συνήθη διαφορική εξίσωση

Η διατήρηση μάζας σε ένα σύστημα τριών αντιδραστήρων περιγράφεται από το παρακάτω σύστημα συνήθων διαφορικών εξισώσεων:

Κεφάλαιο 2. Μέθοδος πεπερασµένων διαφορών προβλήµατα οριακών τιµών µε Σ Ε

Κεφ. 6Β: Συνήθεις διαφορικές εξισώσεις (ΣΔΕ) - προβλήματα αρχικών τιμών

Παράδειγμα #10 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΟΡΙΑΚΩΝ ΤΙΜΩΝ ΕΛΛΕΙΠΤΙΚΕΣ ΜΔΕ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ν. Βασιλειάδης

Παράδειγμα #5 EΠΙΛΥΣΗ ΜΗ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΑΛΓΕΒΡΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕ ΜΕΘΟΔΟ NEWTON ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ν. Βασιλειάδης. ( k ) ( k)

y 1 (x) f(x) W (y 1, y 2 )(x) dx,

ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, , 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΡΓΑΣΙΑ #3: ΕΛΛΕΙΠΤΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ: ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ιωάννης Λυχναρόπουλος

w 1, z = 2 και r = 1

Παράδειγµα #11 ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΑΡΧΙΚΩΝ ΤΙΜΩΝ Σ Ε ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ν. Βασιλειάδης

f x και τέσσερα ζευγάρια σημείων

ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ 14 ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, , 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΡΓΑΣΙΑ #1: ΣΥΝΗΘΕΙΣ ΔΙΑΦΟΡΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΑΡΧΙΚΩΝ ΤΙΜΩΝ

Παράδειγμα #1 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΚΙΝΗΤΗΣ ΥΠΟΔΙΑΣΤΟΛΗΣ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ι. Λυχναρόπουλος

Εφαρµόζοντας τη µέθοδο αριθµητικής ολοκλήρωσης Euler και Runge-Kutta 2 ης, συστηµατική σύγκριση των πέντε µεθόδων. Η επιλογή των σταθερών

Επιμέλεια απαντήσεων: Ιωάννης Λυχναρόπουλος

Αριθμητικές Μέθοδοι σε Προγραμματιστικό Περιβάλλον

Κεφάλαιο 1: Προβλήµατα τύπου Sturm-Liouville

Αριθµητική Ανάλυση. ιδάσκοντες: Καθηγητής Ν. Μισυρλής, Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης ΕΚΠΑ. 16 Ιανουαρίου 2015

Κεφ. 7: Επίλυση ελλειπτικών διαφορικών εξισώσεων με πεπερασμένες διαφορές

Πρόλογος Εισαγωγή στη δεύτερη έκδοση Εισαγωγή... 11

ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, , 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΡΓΑΣΙΑ #4 ΥΠΕΡΒΟΛΙΚΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΗΜΕΡΟΜΗΝΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΗΣ: ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Δ.

Άσκηση 1 Έχουµε να επιλύσουµε την εξίσωση κύµατος 1 ης τάξης (υπερβολική εξίσωση) (1)

QR είναι ˆx τότε x ˆx. 10 ρ. Ποιά είναι η τιµή του ρ και γιατί (σύντοµη εξήγηση). P = [X. 0, X,..., X. (n 1), X. n] a(n + 1 : 1 : 1)

Παράδειγμα #4 EΠΙΛΥΣΗ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΑΛΓΕΒΡΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΜΕ ΕΠΑΝΑΛΗΠΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΥΣ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ν. Βασιλειάδης

- ΟΡΙΟ - ΣΥΝΕΧΕΙΑ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗΣ ΕΝΟΤΗΤΑ 7: ΣΥΝΕΧΕΙΑ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗΣ - ΠΡΑΞΕΙΣ ΜΕ ΣΥΝΕΧΕΙΣ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΙΣ - ΣΥΝΕΧΕΙΑ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗΣ ΣΕ ΔΙΑΣΤΗΜΑΤΑ

8 FORTRAN 77/90/95/2003

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ, , 3 ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ #4: ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Σ. Βαρούτης

Αριθμητικές Μέθοδοι σε Προγραμματιστικό Περιβάλλον

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4ο: ΟΛΟΚΛΗΡΩΤΙΚΟΣ ΛΟΓΙΣΜΟΣ ΕΝΟΤΗΤΑ 1: ΠΑΡΑΓΟΥΣΑ ΣΥΝΑΡΤΗΣΗ [Αρχική Συνάρτηση του κεφ.3.1 Μέρος Β του σχολικού βιβλίου].

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ Εξέταση Σεπτεμβρίου 25/9/2017 Διδάσκων: Ι. Λυχναρόπουλος

Παράδειγμα #5 ΕΠΙΛΥΣΗ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ & ΜΗ ΓΡΑΜΜΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Σ. Βαρούτης

Να επιλύουμε και να διερευνούμε την εξίσωση αx + β = 0, βάση τη γραφική παράσταση της ευθείας y = ax + β.

15 εκεµβρίου εκεµβρίου / 64

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΙΑΣ - ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ, 3 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ, ΔΙΔΑΣΚΩΝ: Δρ Ιωάννης Αθ.

ιδάσκοντες :Τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής,Τµήµα Β (Περιττοί) : Αριθµητική Επίκ. Καθηγητής νάλυση Φ.Τζαφέρης (ΕΚΠΑ) 27 Μαΐου / 20

4. Παραγώγιση πεπερασμένων διαφορών Σειρά Taylor Πολυωνυμική παρεμβολή

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ, , 3 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ #4: ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Σ. Μισδανίτης. με το πολυώνυμο παρεμβολής Lagrange 2 ης τάξης

ΑΤΕΙ ΠΕΙΡΑΙΑ/ ΣΤΕΦ 16/2/2012 ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ A ΓΡΑΠΤΗ ΕΞΕΤΑΣΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΚΗ Ι

Πεπερασμένες Διαφορές.

Λύσεις ασκήσεων Άσκηση 1: Cengel and Ghajar, Κεφάλαιο 13: Προβλήματα και

Ασύμπτωτες. Διαφορικός Λογισμός μιας μεταβλητής Ι

Κεφ. 3: Παρεμβολή. 3.1 Εισαγωγή. 3.2 Πολυωνυμική παρεμβολή Παρεμβολή Lagrange Παρεμβολή Newton. 3.3 Παρεμβολή με κυβικές splines

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΕΝΤΡΙΚΗΣ ΜΑΚΕΔΟΝΙΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ. Μαθηματικά 2. Σταύρος Παπαϊωάννου

Αριθμητική Ανάλυση και Εφαρμογές

Αριθµητική Ολοκλήρωση

ΘΕΜΑ Α ΘΕΜΑ B. Β.1. Γνωρίζουμε ότι τα σημεία Α(π,4) και Β(-2π,6) ανήκουν στην ΑΛΓΕΒΡΑ Β ΛΥΚΕΙΟΥ

Λύσεις θεμάτων Α εξεταστικής περιόδου Χειμερινού εξαμήνου

Αριθμητικές Μέθοδοι σε Προγραμματιστικό Περιβάλλον (Εργαστήριο 5)

Αριθμητική παραγώγιση εκφράσεις πεπερασμένων διαφορών

1 of 79 ΘΕΜΑ 2. Δίνεται η συνάρτηση f(x) = x 2 4x + 5, x R

ΜΑΣ 371: Αριθμητική Ανάλυση ΙI ΑΣΚΗΣΕΙΣ. 1. Να βρεθεί το πολυώνυμο Lagrange για τα σημεία (0, 1), (1, 2) και (4, 2).

ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟΥ Ι

Kεφάλαιο 4. Συστήματα διαφορικών εξισώσεων. F : : F = F r, όπου r xy

4. Παραγώγιση πεπερασμένων διαφορών Σειρά Taylor Πολυωνυμική παρεμβολή

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά ΙΙ Πρόοδος Ι. Λυχναρόπουλος

Αριθμητική Ανάλυση και Εφαρμογές

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ ΣΕ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΣΤΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ

Εφαρμοσμένα Μαθηματικά 3η εργαστηριακή άσκηση

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ, ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΠΑΡΑΔΟΣΕΩΝ. Κεφ. 1: Εισαγωγή (διάρκεια: 0.5 εβδομάδες)

Διαφορικές Εξισώσεις.

Κεφ. 2: Επίλυση συστημάτων αλγεβρικών εξισώσεων. 2.1 Επίλυση απλών εξισώσεων

ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ ΙΙ ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ Διανύσματα - Διανυσματικές Συναρτήσεις

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3ο: ΔΙΑΦΟΡΙΚΟΣ ΛΟΓΙΣΜΟΣ ΕΝΟΤΗΤΑ 3: ΕΦΑΠΤΟΜΕΝΗ [Κεφάλαιο 2.1: Πρόβλημα εφαπτομένης του σχολικού βιβλίου]. ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΘΕΜΑ Β

Παραδείγματα Διανυσματικοί Χώροι Ι. Λυχναρόπουλος

Πρόβλημα δύο σημείων. Κεφάλαιο Διακριτοποίηση

ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο 3.2 Η ΕΝΝΟΙΑ ΤΟΥ ΓΡΑΜΜΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΚΑΙ Η. (Σ) όπου α, β, α, β, είναι οι

Αριθµητική Ανάλυση. ιδάσκοντες: Τµήµα Α ( Αρτιοι) : Καθηγητής Ν. Μισυρλής, Τµήµα Β (Περιττοί) : Επίκ. Καθηγητής Φ.Τζαφέρης. 25 Μαΐου 2010 ΕΚΠΑ

Παραδείγματα (1 ο σετ) Διανυσματικοί Χώροι

ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ - ΤΜΗΜΑ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΩΝ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΩΝ ΕΙΣΑΓΩΓΙΚΕΣ ΜΕΤΑΠΤΥΧΙΑΚΕΣ ΕΞΕΤΑΣΕΙΣ 26 ΙΟΥΛΙΟΥ 2008 ΕΥΤΕΡΟ ΜΕΡΟΣ :

ΧΡΟΝΙΚΗ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗ. Για την επίλυση χρονομεταβαλλόμενων προβλημάτων η διακριτοποίηση στο χώρο γίνεται με πεπερασμένα στοιχεία και είναι της μορφής:

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ, , 3 ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΑΠΑΝΤΗΣΕΙΣ ΕΡΓΑΣΙΑΣ #1: ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΚΙΝΗΤΗΣ ΥΠΟ ΙΑΣΤΟΛΗΣ ΚΑΙ ΡΙΖΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΩΝ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Σ.

Τμήμα Φυσικής Πανεπιστημίου Κύπρου Εαρινό Εξάμηνο 2015/2016. ΦΥΣ145 Υπολογιστικές Μέθοδοι στην Φυσική

Κεφ. 2: Επίλυση συστημάτων αλγεβρικών εξισώσεων. 2.1 Επίλυση απλών εξισώσεων

Κεφ. 2: Επίλυση συστημάτων εξισώσεων. 2.1 Επίλυση εξισώσεων

Παράδειγμα #6 ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ν. Βασιλειάδης

ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΣΠΟΥΔΩΝ ΣΤΗΝ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΚΗ ΜΑΘΗΜΑΤΙΚΑ Ι (ΘΕ ΠΛΗ 12) ΕΡΓΑΣΙΑ 1 η Ημερομηνία Αποστολής στον Φοιτητή: 20 Οκτωβρίου 2008

Transcript:

ΑΣΚΗΣΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΙΚΕΣ ΜΕΘΟΔΟΙ, -, 5 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ ΕΠΙΛΥΣΗ ΕΡΓΑΣΙΑΣ #: ΣΥΝΗΘΕΙΣ ΔΙΑΦΟΡΙΚΕΣ ΕΞΙΣΩΣΕΙΣ ΚΑΙ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΠΡΟΒΛΗΜΑΤΑ ΔΥΟ ΟΡΙΑΚΩΝ ΤΙΜΩΝ ΕΠΙΜΕΛΕΙΑ: Ιωάννης Λυχναρόπουλος Επιλύστε αριθμητικά με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών το παρακάτω πρόβλημα δύο οριακών τιμών: T r =, R r R r r r, T( R ) = T, T( R ) = T Συγκρίνετε τα αριθμητικά αποτελέσματα με τα αντίστοιχα αναλυτικά. Τέλος, περιγράψτε ένα φυσικό πρόβλημα που θα μπορούσε να μοντελοποιείται με το παραπάνω πρόβλημα οριακών τιμών. ΛΥΣΗ H δοσμένη διαφορική εξίσωση γράφεται και ως Αναλυτική λύση (από Mathematica): dt dr dt + = () r dr s = DSolveB: r T'@rD + T''@rD, T@RD T, T@RD T>, T@rD, rf Tr () = = ( ) ( ) ( ) T ln r T ln r+ T ln R T ln R Tln r/ R Tln r/ R ln R ln R ln R / R Έστω: R =, R = 3, T =, T = 3 Αριθμητικό πλέγμα: 3 N N+ r= i- i i+ r=3

Διακριτοποιούμε το πεδίο ορισμού διαιρώντας την απόσταση R r R σε N ίσα διαστήματα πλάτους Δ r = / N. Ορίζονται N + κόμβοι. Προσεγγίζουμε τη διαφορική εξίσωση () στον τυχαίο κόμβο i : T T + T T T + = i+ i i i+ i Δr ri Δr ή Ti + Ti T i+ = r ri r r + +, i=,..., N () Δ Δ Δ Δr riδr όπου r = ( i ) Δr. i Από τις οριακές συνθήκες για i = : T = και για i = N + : T + = 3. Το σύστημα που προκύπτει είναι τριδιαγώνιο και επιλύεται με την μέθοδο Τhomas. Έστω ένα αραιό πλέγμα με N = 4 ( Δ r = 5. ). Τότε προκύπτει το εξής σύστημα 3 εξισώσεων με 3 αγνώστους: 8 4.667 T 666.667 3.5 8 4.5 T3 = 3.6 8 T 4 3 N Η αριθμητική λύση είναι: T = 36.7, T 3 = 6.9, T 4 = 83.3 Η αντίστοιχη αναλυτική λύση είναι: T = 36. 9, T 3 = 63.9, T 4 = 83.4 Πρόγραμμα σε Fortran: Program Poisson implicit none doubleprecision,allocatable::a(:),b(:),c(:),d(:),x(:),r(:),xx(:) doubleprecision:: dr,q,s integer::n,i,status= doubleprecision,parameter::r=.,r=3.,t=.,t=3. n=3!arithmos diasthmatwn -> n+ komboi allocate(a(n-),b(n-),c(n-),x(n+),d(n-),r(n+),xx(n-)) if (status/=) Stop 'Not enough memory' dr=(r-r)/n do i=,n+ r(i)=(i-)*dr+r x()=t x(n+)=t

! Ypologismos syntelestwn algorithmou Thomas gia tous n- eswterikous kombous! px gia n=7 (6 eswterikoi komboi):! b() c() d()! a() b() c() d()! a(3) b(3) c(3) d(3)! a(4) b(4) c(4) d(4)! a(5) b(5) c(5) d(5)! a(6) b(6) d(6) do i=,n- if (i>) then a(i)=./dr**-./(.*r(i+)*dr) end if b(i)=-./dr** if (i<n-) then c(i)=./dr**+./(.*r(i+)*dr) end if d()=-(./dr**-./(.*r()*dr))*t do i=,n- d(i)= d(n-)=-(./dr**+./(.*r(n)*dr))*t print*, '-------------'!print*, 'a= ',a(:),'b= ',b(:),'c= ',c(:),'d= ',d(:) call Thomas(n-,a,b,c,d,xx)! Zhtame apo ton algorithmo Thomas na epilysei ena systhme n- agnwstwn! To apotelesma einai to dianysma xx to opoio ari8mhtai apo ews n-! Epomenws prepei na metatopistei stis ews n theseis tou telikou apotelesmatos x! (afou afora tous eswterikous kombous) x(:n)=xx(:n-) do i=,n+ print '(I3,4H u(,d.5,4h) =,D.5,D.5)',i,r(i),x(i),f(r(i)) contains! Analytikh lysh doubleprecision function f(r) doubleprecision::r f=(t*log(r) - T*Log(r) + T*Log(R) - T*Log(R))/(Log(R) - Log(R)) end function! Algorithmos Thomas subroutine Thomas(n,a,b,c,d,x) integer,intent(in) :: n doubleprecision, INTENT(INOUT) ::a(n),b(n),c(n),d(n) doubleprecision, INTENT(OUT) ::x(n) integer::i doubleprecision ::t(n),u(n) 3

t()=b() u()=d()/t() do i=,n t(i)=b(i)-a(i)*c(i-)/t(i-) u(i)=(d(i)-a(i)*u(i-))/t(i) x(n)=u(n) do i=n-,,- x(i)=u(i)-c(i)/t(i)*x(i+) end subroutine Thomas end Ενδεικτικά το αποτέλεσμα για Ν=. i r i Αριθμητική Αναλυτική Απόλυτο Σφάλμα..... 6.595384 6.59563.397E-3.4 3.66693 3.673.33E-3 3.6 4.786 4.78574.3475E-3 4.8 53.53 53.5648.373E-3 5. 63.9688 63.9975.8696E-3 6. 7.76846 7.76848.358E-3 7.4 79.6884 79.688599.797E-3 8.6 86.9748 86.9744.978E-3 9.8 93.79938 93.79998.5974E-4 3. 3. 3.. 3 5 5 5.5..5..5 3. Γράφημα κατανομής θερμοκρασίας 4

ΑΣΚΗΣΗ Επιλύστε αριθμητικά με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών το παρακάτω πρόβλημα ιδιοτιμών: ψ r r r r + k ψ =, r, ψ =, ( ) dψ dr r= = Συγκρίνετε τα αριθμητικά αποτελέσματα με τα αντίστοιχα αναλυτικά. ΛΥΣΗ Διαφορική εξίσωση: d ψ dr dψ r dr + + k ψ = () Οριακές συνθήκες: ψ () = () και dψ dr r= = (3). Αναλυτικές Ιδιοτιμές Αρχικά θα υπολογίσουμε αναλυτικά τις ιδιοτιμές λ = k. Παρατηρούμε πως αν εφαρμόσουμε τον μετασχηματισμό t = kr στην (), θα προκύψει η εξίσωση Bessel μηδενικής τάξης. Έχουμε διαδοχικά: dψ dψ dt dψ = = k dr dt dr dt και d ψ d d ψ dt d d ψ d = k k k = = ψ dr dt dr dr dt dt dt Αντικαθιστώντας παραγώγους στην () παίρνουμε: d ψ dψ d ψ dψ k + k+ k ψ = k r + kr + k r ψ = dt r dt dt dt d ψ dψ t + t + t ψ = dt dt Η παραπάνω εξίσωση είναι γνωστή ως εξίσωση Bessel μηδενικής τάξης και έχει γενική λύση ψ r = c J kr + cυ kr ( ) ( ) ( ) όπου και Υ οι συναρτήσεις Bessel. Σημειώνεται ότι J d p y p( ax) = ay p+ ( ax) + y p( ax), y = J, Y dx x Από την οριακή συνθήκη (3) παίρνουμε: ψ '() = ckj () cky() = c = Η λύση συνεπώς παίρνει την μορφή: ψ () r = cj( kr) Από την οριακή συνθήκη (3) παίρνουμε: ψ () = J( k) = Επομένως οι αναλυτικές ιδιοτιμές είναι λ = k, n =,,3,... n n = = όπου kn οι ρίζες της εξίσωσης J ( ) k =, τις οποίες μπορούμε να πάρουμε με το Mathematica χρησιμοποιώντας την εντολή: 5

Table[N[BesselJZero[,k]],{k,,n}] Για παράδειγμα για n= βρίσκουμε:.4483, 5.58, 8.65373,.795, 4.939, 8.7,.6, 4.355, 7.4935, 3.6346 Άρα οι πρώτες αναλυτικές ιδιοτιμές : 5.7839, 3.473, 74.887, 39.4,.93, 36.563, 449.934, 593.43, 755.89, 938.479 Αριθμητικές Ιδιοτιμές Στη συνέχεια θα υπολογίσουμε αριθμητικά τις ιδιοτιμές λ = k. Διακριτοποιούμε το πεδίο ορισμού διαιρώντας την απόσταση r σε N ίσα διαστήματα πλάτους Δ r = / N. Ορίζονται N + κόμβοι. Προσεγγίζουμε τη διαφορική εξίσωση () στον τυχαίο κόμβο i : ψ ψ + ψ ψ ψ + + λψ = i+ i i i+ i Δr ri Δr i ψ i + ψi λ ψ i+ = r ri r + r + +, i=,..., N () Δ Δ Δ Δr riδr Για i = θα χρησιμοποιήσουμε την οριακή συνθήκη μαζί με την διαφορική εξίσωση: dψ dψ d Παρατηρούμε ότι το limr lim dr ψ = r = r dr r dr d ψ ψ ψ+ ψ Έτσι η () γράφεται: + o λψ = + λψ = (3) dr Δr dψ ψ ψ Η οριακή συνθήκη: = = ψ o = ψ (4) dr r= Δr Ό κόμβος i = είναι φανταστικός. Οι (3) και (4) δίνουν: 4 4 + λ ψ+ ψ = Δr Δr (5) Για i = N + έχουμε: T + = (6) N Η μέθοδος υπολογισμού των ιδιοτιμών είναι η ακόλουθη: Οι σχέσεις () και (5) δημιουργούν ένα γραμμικό ομογενές σύστημα N εξισώσεων με N αγνώστους της μορφής A ψ = το οποίο φέρνουμε στην μορφή: ( B λi) ψ = και στη συνέχεια βρίσκουμε τις ιδιοτιμές του πίνακα B. Ο πίνακας B για μορφή: N =5, έχει την ακόλουθη 6

Για N =, N =5, N = και N = παίρνουμε τα ακόλουθα αποτελέσματα: Ν= n Αριθμητική Τιμή Αναλυτική Τιμή Απόλυτο Σχετικό Σφάλμα % 5.78 5.7839.3 8.98 3.473 37.888 Ν=5 n Αριθμητική Τιμή Αναλυτική Τιμή Απόλυτο Σχετικό Σφάλμα % 5.65539 5.7839.97 7.4994 3.473 9.759 3 58.477 74.887.93 4 87.334 39.4 37.89 5.36.93 45.774 Ν= n Αριθμητική Τιμή Αναλυτική Τιμή Απόλυτο Σχετικό Σφάλμα % 5.7568 5.7839.56 9.6868 3.473.5748 3 7.365 74.887 6.8987 4 3.83 39.4.959 5 85.5.93 6.997 6 48.77 36.563 3.977 7 37.39 449.934 3.68 8 356.343 593.43 39.97 9 389.76 755.89 48.543 484.94 938.479 48.465 Ν= n Αριθμητική Τιμή Αναλυτική Τιμή Απόλυτο Σχετικό Σφάλμα % 5.7753 5.7839.4 3.74 3.473.65596 3 73.743 74.887.566 4 35.48 39.4.874 5.779.93 4.5544 6 35.6 36.563 6.5983 7 49.5 449.934 8.9888 8 53.76 593.43.684 9 644.97 755.89 4.6739 77. 938.479 7.988 896.47 4.8.479.64 36.87 5.8 3 39.69 64.68 8.9769 4 5.64 866. 3.9854 7

5 35.65 47.5 37.6 6 437.3 448.53 4.36 7 57.9 769.9 45.574 8 559.5 39.79 49.8633 9 59.59 347.3 54.6 936.78 385. 49.6943 Παρατηρούμε ότι όσο πυκνώνουμε το πλέγμα μας τόσο καλύτερα προσεγγίζουμε τις πρώτες, σε σειρά διάταξης, αναλυτικές ιδιοτιμές του προβλήματος. Για παράδειγμα με το πλέγμα των κόμβων υπολογίζουμε την πρώτη ιδιοτιμή με ακρίβεια 3 σημαντικών ψηφίων και τη δεύτερη με ακρίβεια σημαντικών ψηφίων. Αντίθετα για την δέκατη ιδιοτιμή η ακρίβεια είναι περίπου 8% και απαιτούνται πολύ περισσότεροι κόμβοι για να πάρουμε την ιδιοτιμή αυτή με ακρίβεια. Ο κώδικας σε Mathematica που χρησιμοποιήθηκε για την παραγωγή των αποτελεσμάτων είναι ο ακόλουθος: n=; h=/n a=table[,{n},{n}]; Do[a[[i,i+]]=-(/h )-/((i-) h ),{i,,n-}] Do[a[[i,i]]=/h,{i,,n}] Do[a[[i,i-]]=-(/h )+/((i-) h ),{i,,n}] a[[,]]=4/h ;a[[,]]=-4/h ; anal=table[n[besseljzero[,k]],{k,,n}] real=anal^ sol=sort[n[eigenvalues[a]]] error=(real-sol) /real 8

ΑΣΚΗΣΗ 3 Επιλύστε αριθμητικά το με τη μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών το παρακάτω πρόβλημα δύο οριακών τιμών: db d u du d b + =, dy dy dy dy y = : u =, b = y y = : u =, b = y ΛΥΣΗ Έχουμε du db + = () και dy dy με οριακές συνθήκες b u ( ± ) = (3) και y y =± db + =, y [, ] du + = () dy dy = (4) Αρχικά παρατηρούμε ότι οι λύσεις ως προς b είναι άπειρες, επειδή οι εξισώσεις του συστήματος επαληθεύονται από την b+ c όπου c αυθαίρετη σταθερά. Διακριτοποιούμε το πεδίο ορισμού: Χρησιμοποιούμε N ίσα διαστήματα (N + κόμβους) πλάτους h= / N Εφαρμόζοντας εκφράσεις κεντρώων πεπερασμένων διαφορών για την προσέγγιση των παραγώγων παίρνουμε τις εξισώσεις πεπερασμένων διαφορών: ui ui + ui+ bi+ bi + =, i =,..., N (5) h h και bi bi + bi+ ui+ ui + =, i =,..., N (6) h h Για τους ακριανούς κόμβους έχουμε για το u u = και u N + = (7) Για το b επιλέγουμε να χρησιμοποιήσουμε ένα σχήμα πρώτης τάξης για την b προσέγγιση της παραγώγου, το οποίο με ανάντη πεπερασμένες διαφορές στον y κόμβο και κατάντη πεπερασμένες διαφορές στον κόμβο N + θα δώσει: b = b, b b (8) = N+ N Έστω για παράδειγμα ότι έχουμε ένα πλέγμα με N = 4 (5 κόμβοι), Το σύστημα γράφεται στη μορφή Ax = γ, όπου x και γ είναι τα διανύσματα x = και [ u, u, u, u, u, b, b, b, b, b ] 3 4 5 3 4 5 T 9

γ = [,,,,,,,,,] T και A είναι ο (N + ) (N + ) πίνακας Παρατήρηση: Οι εξισώσεις για τους κόμβους u και u5 θα μπορούσαν να παραλειφθούν χωρίς να επηρεάζουν τη λύση του συστήματος, αφού οι τιμές τους είναι γνωστές από τις οριακές συνθήκες. Επιλύοντας το σύστημα με Fortran για N = παίρνουμε τα ακόλουθα αποτελέσματα: n y u b -...346375 -.9.4783895.346375 3 -.8.8654334.59836 4 -.7.767698.34499 5 -.6.44978.8937 6 -.5.6865.6344458 7 -.4.7699786.343778 8 -.3.8876.6473 9 -..9567564.6939 -..886.3488..586 -.6779..886 -.3655387 3..9567564 -.734948 4.3.8875 -.4943 5.4.7699786 -.3666334 6.5.6865 -.65783 7.6.449779 -.94469 8.7.767698 -.685 9.8.8654334 -.83867.9.4783895 -.36973.. -.36973

Κώδικας σε Fortran: Program Hartmann implicit none doubleprecision,allocatable::u(:),uold(:),b(:),bold(:) integer::n,i,j,k,kk,status=,maxi,done,method,l,ha= doubleprecision::s,rel,err,max,s,s,q doubleprecision::w,h n= allocate(u(n+),uold(n+),b(n+),bold(n+)) if (status/=) Stop 'Not enough memory' maxi=5 rel=. h=./n u(:)=. b(:)=. k= done= do while (k<=maxi.and. done==) uold(:)=u(:) bold(:)=b(:) do i=,n b()=b() b(n+)=b(n) u(i)=.5*(h**-h*b(i-)+h*b(i+)+u(i-)+u(i+)) b(i)=.5*(-h*u(i-)+h*u(i+)+b(i-)+b(i+))! elenxos gia termatismo max=- do i=,n err = abs(u(i) - uold(i)) if (err>max) then max=err end if do i=,n+ err = abs(b(i) - bold(i)) if (err>max) then max=err end if if (max<rel) then done= end if

k=k+ open(,file='res_gauss.txt',recl=) write(,*) '-------u--------' do i=,n+ write(,'((f.8,","))') -+(i-)*h,u(i) write(,*) '-------b--------' do i=,n+ write(,'((f.8,","))') -+(i-)*h,b(i) print*, 'Gauss Seidel' print*, k-,max print*, '-------------------------------' end..5 u Γραφικές παραστάσεις των u και b :.. b. -. -.5.5. y.5 -. -. -.5.5. y -. Η λύση του συστήματος επιτεύχθηκε, παρόλα αυτά θα επιχειρήσουμε να το λύσουμε εκ νέου με τη βοήθεια του Mathematica. Θα κατασκευάσουμε αρχικά τον πίνακα Α και στη συνέχεια θα καλέσουμε την LinearSolve: n=; h=/n; a=table[,{n+},{n+}]; Do[{a[[i,i-]]=/h,a[[i,i]]=-/h,a[[i,i+]]=/h },{i,,n}] Do[{a[[i,i-]]=/h,a[[i,i]]=-/h,a[[i,i+]]=/h },{i,n+3,n+}] Do[{a[[i,n+i]]=-/h,a[[i,n+i+]]=/h},{i,,n}] Do[{a[[i,i--n]]=-/h,a[[i,i-n]]=/h},{i,n+3,n+}] a[[,]]=; a[[n+,n+]]=; a[[n+,n+]]=; a[[n+,n+3]]=-; a[[n+,n+]]=-; a[[n+,n+]]=; d=table[,{n+}]; Do[d[[i]]=-,{i,,n}] x=linearsolve[a,d]//n ; u=table[x[[i]],{i,,n+}] {.,.47839,.865434,.7677,.4498,.69,.76998,.887,.95676,.9,.58,.9,.95676,.887,.76998,.69,.4498,.7677,.865434,.47839,.} b=table[x[[i]],{i,n+,n+}]

{.476,.476,.46956,.44738,.4684,.447,.373,.339578,.35987,.79,.3 585,.49,.6563,.333,.3,.799,.4556,.495,.865434,.,.} uu=table[{-+(i-)*h,u[[i]]},{i,,n+}] bb=table[{-+(i-)*h,b[[i]]},{i,,n+}] ListPlot[uu,Joined True,AxesLabel {"y","u"}] ListPlot[bb,Joined True,AxesLabel {"y","b"}] Παρατηρούμε ότι οι λύσεις του u που δίνει το Mathematica και η Fortran ταυτίζονται, ενώ η λύση του b σε Mathematica είναι απλώς μετατοπισμένη σε σχέση με τη λύση σε Fortran κατά.346375. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι το σύστημα έχει άπειρες λύσεις ως προς b και σε αυτή την περίπτωση η LinearSolve δίνει μόνον μία από αυτές. Βεβαίως η λύση σε Fortran είναι η σωστή λύση σε σχέση με τη φυσική του προβλήματος. 3